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ULSI制备中多层布线导体铜的抛光液与抛光技术的研究

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ULSI制备中多层布线导体铜的抛光液与抛光技术的研究 电子工业专用设备 EquipmentforElectronicProductsManufacturingEPE (总第153期)Oct.2007 1 引 言 随着 IC工艺的发展以及 DRAM和逻辑器件 的微型化大容量的要求,器件向着立体化、多层布 线结构发展。布线的每一层平整度均要求φ200mm 在100nm以内,才能保证高成品率、高可靠性。而 CMP技术是唯一能对亚微米器件提供全局平面化 的技术[1,2]。 在ULSI的多层布线中层间引线正在由传统的 铝转向铜。因为铜的电阻率低,电迁移阻率...

ULSI制备中多层布线导体铜的抛光液与抛光技术的研究
电子工业专用设备 EquipmentforElectronicProductsManufacturingEPE (总第153期)Oct.2007 1 引 言 随着 IC工艺的发展以及 DRAM和逻辑器件 的微型化大容量的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 ,器件向着立体化、多层布 线结构发展。布线的每一层平整度均要求φ200mm 在100nm以内,才能保证高成品率、高可靠性。而 CMP技术是唯一能对亚微米器件提供全局平面化 的技术[1,2]。 在ULSI的多层布线中层间引线正在由传统的 铝转向铜。因为铜的电阻率低,电迁移阻率高,器件 寿命更长,且器件的RC(阻容)及时间特性都优于 传统的铝,更加适合高频器件和大功率器件。采用 ULSI制备中多层布线导体铜的 抛光液与抛光技术的研究 刘玉岭1,李嘉席1,檀柏梅1,梁存龙2 (1.河北工业大学,天津 300130;2.河北冀雅电子有限公司,河北 石家庄 050071) 摘 要:提出了在碱性浆料中ULSI多层布线导体铜化学机械抛光的模型,对铜CMP所需达到的 平面化、选择性、抛光速率控制、浆料的稳定及洁净度、抛光液成分的优化选择进行了实验研究。 关键词:化学机械抛光;多层布线;甚大规模集成电路;铜浆料(抛光液) 中图分类号:TN30512 文献标识码:A 文章编号:1004-4507(2007)10-0017-05 CMPStudyofMultilayerWiringConductor CopperinULSIManufacturing LIUYu-ling1,LIJia-xi1,TANBai-mei1,LIANGCun-long2 (1.HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300130,China;2.HebeiJiyaElectronicLimitedCompany,Shijiazhuang050071,China) Abstract:AmodelforcopperCMPinalkalinepolishslurryisintroducedinthepaper.Alotofstudy onthebestchoiceforthecomponentsofcorrespondingpolishslurry,theglobalplanarization,theselec- tive,thecontrolofpolishrate,thestabilityandpurenessofthepolishslurryrequiredbycopperCMP havebeenmade. Keywords:CMP;Multilayerwiring;ULSI;Copper;Slurry 收稿日期:2007-10-08 作者简介:刘玉岭,男,教授,博士生导师,1963年毕业于南开大学化学系,主要从事集成电路及基础材料的工艺技术研究, 在半导体材料加工、硅外延材料的制备、硅.硅键合新技术、IC衬底材料的杂质与二次缺陷的控制等方面取得多项 成果,获国家发明奖五项,国内外发 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 技术论文60余篇。 ·CMP技术与设备· 17 电子工业专用设备 EquipmentforElectronicProductsManufacturing EPE (总第153期)Oct.2007 铜代替铝可以使集成度提高 1倍。如要达到 6层 Cu/SiO2的RC要求,采用Al/SiO2则需要12层。而 且铝的电迁移阻率低,不适于大功率器件,使用寿 命也比铜短[3,4]。所以随着IC工艺的发展,研究的重 点已经转移到了采用铜做层间引线的领域上来,铜 的CMP作为微型器件的主要加工工艺,各国均在 加紧攻关研究。 1991年 IBM公司首先应用 CMP在 64Mb DRAM的生产中获得成功[1]。另外的公司比如IN- TEL公司、COBAT公司、RODEL公司、东芝公司等 都提出过一些比较有价值的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。但是因其技术难 点大、涉及学科多、相关机理没有攻克,它们都难应 用于实际的大规模生产。所以现在的铜CMP在世 界范围内仍然处在攻关研究阶段。现在铜的CMP 速度的合理控制,浆料给器件所带来的金属离子的 沾污,铜CMP结束后的清洗,浆料的选择性,浆料 抛光片子所能达到的平整度的问题,浆料对环境的 影响,对设备的腐蚀,浆料的成本等等。这些都直接 关系到浆料的氧化剂、络和剂、磨料及其它辅助试 剂的选择。另外表面图形密度、压力、转速、温度、浆 料的pH值、抛光布的硬度和表面粗糙度等对CMP 的影响也很大[1,5,6]。在项目设计中充分考虑了上述 影响铜CMP的因素,对浆料的配比进行了大量的 选择与实验,最终得出了比较令人满意的结果。 2 铜CM P的方案选择及其机理 铜CMP的抛光液按pH值主要分为两类:酸性 抛光液和碱性抛光液。酸、碱性不同的抛光液其抛 光机理不同,抛光效率亦不同。 本文在设计中采用了碱性浆料。没有采用酸性 浆料主要是考虑到酸性浆料在抛光过程中的副作 用较大。首先,采用酸性浆料不利于器件的平面化 效果。以硝酸为例,铜淀积到二氧化硅介质上其表 面高低不平。但是硝酸浆料在表面的各点腐蚀速率 相等: 3Cu+8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2+2NO+4H2O(1) 其直接与铜反应生成了硝酸铜溶解于溶液中。虽然 有磨料的作用,但铜片表面各点去除速率相差不 大,很难达到平面化的效果。如图1。 图 1 酸性浆料中的抛光 考虑到这种情况,国际上采用添加BTA(苯并 三唑)的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 。BTA可以与铜生成Cu-BTA单分子 层,抑制硝酸对铜的腐蚀。于是在铜表面低凹的地 区由于Cu-BTA表面膜的形成,内层的铜不再受到 腐蚀,形成台面的铜和槽内铜的抛光速率差,达到 平面化的效果。但难以实现高速率,只能达到不使 用BTA时的70%。其次,采用酸性抛光浆料,将难 以避免的引入铜离子的沾污。第三,采用酸性抛光 浆料,对设备的要求更高。基于上述原因,本文不采 用酸性浆料。 采用碱性浆料比酸性浆料的配比难度大,国际 上未见报导。在这里提出碱性浆料铜CMP的一种 模型: (1)利用氧化剂在铜表面生成一层氧化膜。 (2)使用磨料将铜表面凸起处的氧化膜磨去, 低凹处的表面膜依然存在,阻止浆料中的氧化剂与 深层铜的进一步反应。 (3)Cu2+转化为极稳定的可溶络合物进入溶液, 加快反应进行,有效地控制铜离子的沾污。 (4)Cu抛光速率:介质SiO2抛光速率等于5:1 以上。 以上4点可看作铜 CMP的 4个 步骤 新产品开发流程的步骤课题研究的五个步骤成本核算步骤微型课题研究步骤数控铣床操作步骤 ,使片子 达到全局平面化。碱性条件下的氧化剂使铜表面形 Si Cu SiO2 Cu SiO2 Si (a) 抛光前 (b) 抛光后 ·CMP技术与设备· 18 电子工业专用设备 EquipmentforElectronicProductsManufacturingEPE (总第153期)Oct.2007 成一层氧化膜,这层膜保护内层的铜不受浆料的进 一步腐蚀。 CuO———Cu2O———CuO (2) 在抛光中,铜片表面突起的地方与抛光布接触,表 面氧化膜被布中的磨料磨去,暴露出的铜继续接受 腐蚀,形成新膜。如此循环,实现了高速率。而铜表 面低凹的地方不与布接触,表面氧化膜保护铜不受 进一步的腐蚀,所以不具备抛光速率,最终达到全 局平面化的效果,如图2。 络合剂的反应是: 表面氧化膜 Cu SiO2 Si (a) 表面膜的形成 (b) 通过研磨将表面层去掉 Cu SiO2 Si Si SiO2 Cu (c) 铜表面凸起处和低凹的选择性 (d) 铜的全局平面化 Si Cu SiO2 Cu0———CuO———Cu(OH)2———Cu2++2OH-———Cu2++4NH3[Cu(NH3)4]2+ (3) 一方面去掉铜离子沾污,一方面减少铜离子的 浓度,加速反应(2),提高了抛光速率[7,8]。由上述模 型可知碱性浆料的主要成分为氧化剂、络合剂、磨 料三部分。各公司使用的氧化剂不一致。有的公司 使用三价铁离子、磷酸根、过氧化物、氯酸盐、高氯 酸盐、高锰酸盐、过硫酸盐等;有的采用硝酸银,次 氯酸钾等。这些氧化剂的成本高,而且这些无机盐 类的加入引起了大量金属离子沾污,尤其是碱金属 离子的沾污,给以后清洗带来不便。因此有的不得 不又添加各种螯合剂来解决这个问题,使浆料成分 复杂,成本增高。 目前络合剂都选用氨水 (3)。氨在浆料中的含 量与pH值的关系很大。氨的浓度在pH值小于8 时含量有一个骤减,几乎减为零,所以此时抛光溶 液中会有大量研磨废料(研磨废料主要指铜和铜的 氧化物)存在,抑制反应 (2)、(3)向右进行,降低抛 光速率。氨水的挥发性强,在操作的过程中,使环境 充满了氨气的刺激性气味,操作难度较大,且由于 氨气的挥发性使抛光液的pH值不稳。 关于抛光液磨料的选择也极为重要。浆料的抛 光是化学作用与机械作用的共同结果,找到两者的 最佳结合点是关键,使浆料成分达到最优化的组 合。机械作用过大容易造成划伤,且划痕深;化学作 用过大容易形成非均匀腐蚀。所以抛光液的各组成 部分要尽量使这两种作用均衡。 综上所述,考虑到各种因素,通过大量试验在 设计中选用了硝酸盐类,利用硝酸根作氧化剂。使 用有机碱,既调节 pH值,同时提供络合剂,还能 起到螯合剂的使用。在磨料方面选择了氧化铝与 白炭黑。选择氧化铝是由于它硬度高,使铜表面达 到非常平整的效果,选择白炭黑,一是作细磨的磨 料;二是将浆料的黏稠性改变,使氧化铝均匀地 分散到浆料中,可作防沉剂使用,降低抛光器件表 面粗糙度。加入刘玉岭教授研制的 FA/O表面活 图 2 铜在碱性浆料中的抛光 ·CMP技术与设备· 19 电子工业专用设备 EquipmentforElectronicProductsManufacturing EPE (总第153期)Oct.2007 3.2 抛光实验分析 针对铜CMP的平面化、选择性、抛光速率等进 行了实验,取得了相关的数据。其典型试验结果如 表2、表3和表4。 表 2 使用浆料 1的速率与选择性对比 表 3 使用浆料 2的速率与选择性对比 表 4 使用浆料 3的速率与选择性对比 3.3铜CMP的表面状况分析 在表 2数据中可以看到片子与片子之间的抛 光速率有着很大的区别,这是因为在一个盘子上铜 片的厚度不同,并且通过查阅数据记录看到,厚铜 片的抛光速率一般要高于薄铜片,这恰好说明了模 型的第二点,体现了台面铜与槽内铜的抛光速率选 择性,这是铜达到全局平面化的一个重要因素。在 抛光完第二车之后随机检测了一下铜片表面不同 点之间的厚度差,其中铜片3,4,6,7的数据趋向于 0。可见浆料1使片子达到全局平面化的效果是很 显著的。另外抛完的片子表面亮度非常高,平整度 性剂,可以很好地防止磨料微粒及 CMP产物微 粒在片子表面的化学吸附,并提高分散性和降低 表面张力,加速化学反应的质量交换。同时调节 pH值到 8~13[8~12]。此浆料中不含有任何金属离 子的沾污。 NO3NH2RNH2NO3!2NO-3+(NH2RNH2)2+ (4) 至少抛光时产生的铜离子可以通过络合去掉: Cu2++2NH2RNH2———[Cu(NH2RNH2)]2+ (5) 这不仅消除了铜离子的沾污,而且能够促进反应 (2)和反应(5)向右进行,使抛光速率增加。这样的 抛光液成分简单,使用方便安全,在下述的实验中 也可看到抛光效果很显著。 3 铜CM P的实验研究 3.1浆料的配制 氧化剂选NO-3,用有机碱调pH值,氧化铝与 白炭黑作磨料,石蜡与 FA/O活性剂作分散剂,获 得了流动性很好的抛光液。 OH- 表 1 浆料的配制及主要参数 浆料1 浆料2 浆料33 磨料质量/% 氧化铝,白炭黑(5~10) 硅溶胶(10~20) 氧化铝,白炭黑(1~3) 氧化铝只用少许0101~1 氧化剂/% 硝酸二胺盐(3~8) 硝酸二胺盐(3~8) 硝酸二胺盐(1~4) pH调制剂/% 有机碱(10~30) 有机碱(6~10) 有机碱(2~8) 分散剂 0.5%FA/O表面活性剂 0.5%FA/O表面活性剂 0.5%FA/O表面活性剂0.1石腊 pH值 8~10 10~13 8~11 流量/mL·min-1 150 150 120 压力/kPa 182.4 182.4 182.4 温度(平均值)/℃ 3219~3412 2613 2614 *浆料在抛光前进行了过滤。 nm/min 铜片 铜片 铜片 铜片 铜片 铜片 铜片 1 2 3 4 5 6 7 第一车 9500 8200 3200 4100 3100 25003500 第二车 2000 4100 2700 1850 1400 28002350 率 抛光速 盘 号 样品 编号 铜片1 铜片2 铜片3 第一车 100 800 800 第二车 100 1000 800 率 抛光 速 盘 号 样品 编号 nm/min 铜片1 铜片2 铜片3 第一车 100 500 600 第二车 100 500 500 率 抛 光速 盘 号 样品 编号 nm/min ·CMP技术与设备· 20 电子工业专用设备 EquipmentforElectronicProductsManufacturingEPE (总第153期)Oct.2007 非常好,片子制造中形成的损伤以及本体缺陷已经 完全抛光。浆料2采用粒径小的硅溶胶作磨料,减 小机械作用,抛光后的铜片表面不再有划痕,但是 浆料的化学作用相对增大,引起了缺陷、非均匀腐 蚀。鉴于这种情况仍使用氧化铝作磨料,但是浓度 降低了许多,使机械作用得到保证,但又不过量。浆 料3抛光后的铜片亮度很高,而且缺陷和本身的损 伤也被去除,无划伤,说明化学作用和机械作用已 达到很好的结合。从数据上看,浆料也很好地解决 了导体铜和介质的选择性问题,两者的抛光速率为 5:1。 3.4抛光速率的选择 抛光速率是抛光中一个十分重要的参数。一般 情况下需要高速抛光,因为速率越高,片子表面几 何参数越好,表面的完美性增高。在片子上淀积铜 一般只有微米级,所以抛光速率过高也不好,一般 要求在300nm/min左右,否则不容易控制平面化。 最好在1~2min完成,所以应有合适的高速率。 浆料1中我们可以看到尽管铜片之间的抛光 速率不同,但是它们几乎都大于 2000nm/min,也 就是说这种浆料的抛光速率太快。采用这种浆料进 行抛光时布温在30℃以上,这说明浆料的化学作 用比较大。另外,抛光时有大量蓝黑色铜氨络离子 产生。由于铜片的平整度好,但有划伤,说明浆料中 的研磨作用要大于化学作用。为了使速率降低,又 在这种浆料的基础上稀释1倍,其他条件不变,平 均抛光速率降至1100nm/min。考虑到铜片的表面 状况进行调整产生了浆料3。 浆料 3一方面是作为解决铜片抛光的划伤问 题,一方面它的配比也考虑到了抛光速率的问题, 如上文各成分含量均做了相应的调整,使磨料和氧 化剂的含量维持相应的水平,以保证抛光速度、化 学作用和机械作用相匹配。实验中此种浆料的速率 维持在 500nm/min和 550nm/min,这是比较理想 的抛光速率。 4 实验结果与分析 通过以上分析可以看到浆料 3获得的最佳效 果。这种浆料的配制使片子没有金属离子的沾污, 不需再加螯合剂,满足了微电子工艺洁净度的要 求,清洗容易。这种浆料成分稳定,有机碱不挥发, 无氨水浓烈的刺激性气味,pH值稳定,应用方便, 也使存放条件变得宽松。磨料最终选用了氧化铝与 白炭黑,使铜抛光后的效果达到最佳。另外抛光液 中使用了 FA/O活性剂,降低了表面张力,提高了 表面平整度,且使浆料悬浮性好,分散性好,加速化 学反应的质量交换,并消除了片子表面的颗粒化学 吸附。这种浆料能够满足铜CMP平面化的要求,选 择性好,抛光后的铜片光亮度高,表面细腻平整,克 服了划伤,抛光速率也控制得很合理。浆料总体显 碱性,对抛光设备有益。 参考文献: [1]江瑞生.集成电路多层结构中的化学机械抛光技术,半 导体技术,1998,23(1):6. 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